André Ricardo Alves Guedes Pinto. Fibras de curauá e sisal como reforço em matrizes de solo. Dissertação de Mestrado

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1 André Ricardo Alves Guedes Pinto Fibras de curauá e sisal como reforço em matrizes de solo Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio como requisito parcial para obtenção do título de mestre em Engenharia Civil. Orientador: Khosrow Ghavami Rio de Janeiro Janeiro de 2008

2 André Ricardo Alves Guedes Pinto Fibras de curauá e sisal como reforço em matrizes de solo Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio como requisito parcial para obtenção do título de mestre em Engenharia Civil. Prof. Khosrow Ghavami Presidente/Orientador Departamento de Engenharia Civil PUC-Rio Prof. Celso Romanel Departamento de Engenharia Civil PUC-Rio Prof. Alberto S.F.J. Sayão Departamento de Engenharia Civil PUC-Rio Prof. José Eugênio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico PUC-Rio Rio de Janeiro, 31 de janeiro de 2008

3 Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador. André Ricardo Alves Guedes Pinto Graduou-se em Engenharia Civil pela UFPB (Universidade Federal da Paraíba) em Tem experiência na área de Engenharia Civil, com ênfase em Mecânica das Estruturas, atuando principalmente nos seguintes temas: habitação social e materiais não convencionais. Pinto, André Ricardo Alves Guedes Ficha Catalográfica Fibras de curauá e sisal como reforço em matrizes de solo / André Ricardo Alves Guedes Pinto; orientador: Khosrow Ghavami. Rio de Janeiro: PUC. Departamento de Engenharia Civil, v., 103f.: il. ; 30 cm Dissertação (mestrado) Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. Inclui referências bibliográficas. 1. Engenharia Civil Dissertação. 2. Matriz de solo. 3. Fibras Vegetais. 4. Curauá. 5. Sisal. 6. Solo-cimento-fibras. 7. Compactação quase estática. I. Ghavami, Khosrow. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título. CDD: 624

4 Para meus pais e minha esposa Elaine, pela compreensão, apoio e paciência.

5 Agradecimentos Nesta minha jornada de desenvolvimento profissional e pessoal, foram muitas as pessoas que, de uma forma ou de outra, contribuíram para este processo. Seria um despropósito a enumeração de todos os nomes, a lista seria demasiadamente extensa, preenchendo inúmeras páginas. Assim, uma concisa menção será oferecida a uns poucos. Em primeiro, aos meus pais por serem meus espelhos e meus guias em toda a história de minha vida, exemplo de força, dignidade e respeito. Um agradecimento especial à minha esposa Elaine por ter me dividido, de forma única e particular, com a Pós-graduação. Em segundo, a Conceição Freire, pelo acolhimento de um estranho (eu) em sua casa, em minha chegada à cidade do Rio de Janeiro. Ao Departamento de Engenharia Civil, seus professores e funcionários, pela oportunidade e carinho que despenderam para a realização deste trabalho. Ao professor Normando Perazzo Barbosa, por ter me mostrado e ensinado os caminhos para uma Engenharia Sustentável. Ao professor Khosrow Ghavami, pela paciência, confiança, e em especial pela orientação, que só engrandeceram e ornaram o caminho ao conhecimento científico. Agradeço aos funcionários do LEM (Laboratório de Estruturas e Materiais) pelo suporte técnico, essencial em trabalhos experimentais. José Nilson, Euclides e equipe, pela colaboração e convívio prazeroso. Por fim, e não menos importante, agradeço à CAPES, pelo apoio financeiro (vital e necessário).

6 Resumo Pinto, André Ricardo Alves Guedes; Ghavami, Khosrow. Fibras de curauá e sisal como reforço em matrizes de solo. Rio de Janeiro, 2008, 105 p. Dissertação de Mestrado Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. A insustentabilidade da construção civil tem motivado a busca, nas últimas três décadas, de materiais e tecnologias que envolvam menores quantidades de energia, gerem menos resíduos e poluentes. O Grupo de Pesquisa de Materiais e Tecnologias Não-Convencionais da PUC-Rio tem dedicado esforços neste sentido, gerando e divulgando conhecimento sobre materiais ecológicos que sejam, acessíveis à população de baixa renda e menos dependentes de tecnologias e indústrias multinacionais. Dentre estas tecnologias alternativas, citam-se as construções com terra, por apresentarem baixo consumo energético e emissão de poluentes, além da matéria prima (solo) estar disponível abundantemente para uso. Assim, é uma solução eficaz para o combate aos problemas ambientais e as desigualdades sociais. Porém, para que as construções sejam resistentes e duráveis, métodos de estabilização são utilizados com freqüência. Esta dissertação avaliou a influência da adição de fibras vegetais (curauá e sisal) em matrizes de solo, as fibras possuem comprimento de 25 e 35 mm, adicionados em 0,5% e 1%, em peso de solo seco, juntamente com adições de 4 e 6% de cimento. Sob carregamento estático, são moldados e extraídos espécimes cilíndricos (50x100 mm), assim, ensaios comuns a argamassas são utilizados para avaliar a resistência das misturas. Os resultados indicam a potencialidade do processo de compactação desenvolvido. A estabilização química acresceu na rigidez e resistência final dos compósitos. A estabilização mecânica conduziu a espécimes de menor porosidade e juntamente com a estabilização física proporcionou o enrijecimento das misturas. Observa-se que as fibras melhoraram a capacidade de absorção de energia pós-fissuração, impedindo a ruptura frágil das matrizes. Palavras-chave Matriz de solo; fibras vegetais; curauá; sisal; solo-cimento-fibras; compactação quase estática.

7 Abstract Pinto, André Ricardo Alves Guedes; Ghavami, Khosrow. Curauá and sisal fibers as reinforcement in soil matrix. Rio de Janeiro, 2008, 105 p. Dissertação de Mestrado Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. The development of low cost and energy, saving construction materials such as Bamboo, vegetable fibers soil and different types of residues has been the subject of extensive research since 1979 at PUC-Rio. These materials are now called the Non-Conventional Materials and Technologies (NOCMAT) are investigated in order to substitute the industrialized materials which have contributed significantly to the climate change of our globe. It is now well established that the most commonly used construction material Portland cement is one of the most polluting one and its use needs to be reduced or to be substituted. In addition with the expansion of the centralized industrialized materials the gap between poor and rich is becoming wider and wider. Stabilized earth construction has been studied by NOCMAT group. This thesis presents the recent results of an investigation into the behavior of stabilized soil using vegetable fibers and/or cement. The considered variables in this research program are: the influence of two types of vegetable fiber, Curauá and Sisal, as reinforcement in two types of soil matrix, Clayey and Sandy soils. The considered fibers were of 25 and 35 mm length, with weight fractions of 0,5% and 1%, in relation to soil dry weight. The studied chemical stabilizers were 4% and 6% of cement in relation to dry soil weight. Cylindrical specimens of the size 50x100 mm were used to establish the compression behavior and the tensile strength through diagonal compression tests. The results indicate that the process of soil compacting is an effective method and the chemical stabilization increased the rigidity and the strength of the composites. It was found that the vegetable fibers have improved the postcracking behavior of the developed composites. Keywords Soil matrix; vegetable fibers; curauá; sisal; soil-cement-fibers; quasi static compaction.

8 Sumário 1. Introdução Revisão Bibliográfica Desenvolvimento Sustentável versus Construção Civil Construção Sustentável Alvenaria de Adobe Taipa de Pilão Taipa de Mão Blocos de Terra Comprimida Estabilização do Solo Estabilização Mecânica Estabilização Física Agave sisalana Sisal Ananás erectifolius Curauá Estabilização Química Metodologia Experimental Materiais utilizados Características físicas, químicas e mineralógicas dos solos Características físicas das fibras vegetais Geometria das fibras Teor de umidade Peso específico Absorção d água Preparação e ensaio dos corpos de prova Nomenclatura dos corpos de prova Resultados e discussão Características físicas, químicas e mineralógicas dos solos Análise física do solo Sistema Unificado de Classificação de Solos (USCS) Análise química do solo argiloso (solo1) Análise mineralógica do solo Características físicas das fibras vegetais Geometria e Peso específico Índice de absorção d água das fibras vegetais Preparação e ensaio dos compósitos Umidade ótima e Massa específica aparente seca máxima Influência da porcentagem de aglomerante 70

9 Influência das fibras vegetais durante a compactação Influência do comprimento e fração volumétrica das fibras Comportamento dos compósitos reforçados Ensaio de absorção d água Conclusões e Sugestões Conclusões Sugestões para trabalhos futuros Referências Bibliográficas 90 Apêndice A 99 Apêndice B 101

10 Lista de figuras Figura 1. Emissão de CO 2 pelo uso de combustíveis (CDIAC, ). Figura 2. Distribuição dos componentes do Déficit 24 Habitacional Brasileiro (FUNDAÇÃO JOÃO PINHEIRO, 2006). Figura 3. Ruas e casas da cidade de Bam Irã, Ásia 25 (GHAVAMI, 2007). Figura 4. Construções da cidade de Navrongo Gana, África 26 (CRATERRE, 2004). Figura 5. Construções em Chan chan Perú, América do Sul 26 (CRATERRE, 2004). Figura 6. Construções em Isle d Abeau França, Europa 27 (INTI, 2007). Figura 7. Construções na Califórnia EUA, América do Norte 27 (CALEARTH, 2007). Figura 8. Arquitetura da terra no Brasil e seus modos de 28 produção. Figura 9. Cena representando escravos produzindo tijolos de 29 Adobe (DOAT et al, 1979). Figura 10. Fôrmas, fabricação e construção em Adobe 31 (BARBOSA e GHAVAMI, 2007). Figura 11. Fôrma e processo de compactação (DOAT et al, ). Figura 12. Construção em Taipa de Pilão França (INTI, ). Figura 13. Construção em Taipa de Mão Brasil (MINKE, ; BARBOSA e GHAVAMI, 2007). Figura 14. Máquina manual para a produção de blocos de 34 terra comprimida e etapas de construção. a) CINVA-Ram, b) colocação da argamassa, c) assentamento do bloco, d) nivelamento e prumo. (KEEFE, 2005; BARBOSA e GHAVAMI, 2007). Figura 15. Estrutura de uma microfibra vegetal. 40 Figura 16. Interação fibra/matriz de solo (Ghavami et al, 1999). 41 Figura 17. Mecanismo de propagação da fissura (CHAWLA, apud SALES, 2006). Figura 18. Microscopia eletrônica de varredura da morfologia 44 interna da fibra de sisal (ANDRADE et al, 2007). Figura 19. Planta e fibra da Ananás erectifolius curauá 46 (MONTEIRO et al, 2006). Figura 20. Microscopia eletrônica de varredura de fibras de 46 curauá (PICANÇO, 2005).

11 Figura 21. Determinação do peso específico das fibras 51 vegetais. Figura 22. Procedimento experimental desenvolvido. a) fibras 52 coladas nas placas de alumínio; b) varal posicionado sob uma superfície com água. Figura 23. Moldes utilizados para confecção dos compósitos. 54 a) detalhe das adaptações necessárias; b) molde+guia. Figura 24. Máquina universal de ensaios utilizada para a 54 compactação. Figura 25. Máquina e instrumentação utilizada nos ensaios. a) 56 ensaio de compressão simples; b) ensaio de compressão diametral. Figura 26. Fixação dos extensômetros elétricos (ensaio de 57 compressão simples). Figura 27. Fixação dos extensômetros elétricos (ensaio de 57 compressão diametral). Figura 28. Distribuição granulométrica dos solos estudados. 59 Figura 29. Difratograma do solo (S). Q- Quartzo (SiO 2 ) 62 32,8%; K- Caolinita (Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ) 67,2%. Figura 30. Difratograma do solo (SC). Q- Quartzo (SiO 2 ) 62 54,0%; K- Caolinita (Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ) 46,0%. Figura 31. Estrutura atômica da argila caolinita (CALLISTER, , p.37). Figura 32. Variabilidade dos dados físicos e mecânicos (fibras 65 de curauá e sisal). Figura 33. Comparação entre ensaios de absorção d água 66 (fibras de curauá). Figura 34. Ensaios de absorção d água (sisal e curauá). 66 Figura 35. Ensaios de absorção d água (sisal e curauá). 67 Figura 36. Curvas de compactação do solo argiloso (C). 68 Figura 37. Curvas de compactação do solo arenoso (S). 69 Figura 38. Comportamento do solo sob estabilização química 71 e mecânica. Figura 39. Resistência média à compressão simples dos 73 compósitos imersos em água. Figura 40. Mecanismo de ruptura das fibras sob compactação 74 (Consoli et al, 2005). Figura 41. Pressão de compactação necessária para a 74 produção dos corpos de prova. Figura 42. Resistência média à compressão simples por 75 fração volumétrica de fibras. Figura 43. Resistência média à compressão diametral por 75 fração volumétrica de fibras. Figura 44. Tensão-deformação dos compósitos com solo 77 argiloso, fibras de curauá e sisal com comprimento de 25 mm e fração volum. de 1%. Figura 45. Tensão-deformação dos compósitos com solo 77 argiloso, fibras de sisal com comprimento de 25 e 35 mm e fração volumétrica de 1%, aos 35 dias.

12 Figura 46. Tensão-deformação dos compósitos com solo argiloso e arenoso, fibras de curauá com comprimento de 25 mm e fração vol. de 1%. Figura 47. Tensão-deformação dos compósitos com solo argiloso e arenoso, com fibras de sisal com comprimento de 25 e 35 mm e fração vol. de 1%. Figura 48. Tensão-deformação dos compósitos com solo arenoso, fibras de curauá com comprimento de 25 e 35 mm e fração volumétrica de 1%. Figura 49. Tensão-deformação dos compósitos com solo arenoso, fibras de sisal e curauá com comprimento de 25 mm e fração volum. de 1%. Figura 50. Estimativas do Déficit Habitacional Estado do Rio de Janeiro (Ministério das Cidades, 2000). Figura 51. Estimativas do Déficit Habitacional Região Metropolitana do Estado (Ministério das Cidades, 2000). Figura 52. Faixas de Renda Mensal Familiar (Salários mínimos) Estado do Rio de Janeiro (Ministério das Cidades, 2000). Figura 53. Faixas de Renda Mensal Familiar (Salários mínimos) Região Metropolitana do Estado (Ministério das Cidades, 2000)

13 Lista de tabelas Tabela 1. Total de emissão de CO 2, em 10 3 /t. de carbono 21 (CDIAC, 2007). Tabela 2. Consumo energético e emissão de CO 2, ano base (MME, 2007a). Tabela 3. Consumo final de energia, ano base 2007 (MME, a). Tabela 4. Composição química das fibras vegetais, em % 41 (ARSÉNE et al, 2003). Tabela 5. Composição química das fibras de sisal, em %. 44 Tabela 6. Composição química das fibras de curauá, em %. 45 Tabela 7. Características físicas dos solos estudados, em %. 59 Tabela 8. Esquema para classificação pelo Sistema Unificado. 60 Tabela 9. Análise química (ph, complexo sortivo) do solo 61 argiloso. Tabela 10. Análise química (ataque sulfúrico) do solo argiloso. 61 Tabela 11. Características físicas das fibras vegetais estudadas. 64 Tabela 12. Características físicas e mecânicas das fibras de 64 curauá e sisal. Tabela 13. Quantidade de água absorvida do total seco e 67 saturado, em %. Tabela 14. Massa especifica aparente seca dos compósitos. 70 Tabela 15. Resistência média à compressão simples, em MPa. 72 Tabela 16. Resistência média à compressão diametral, em MPa. 72 Tabela 17. Módulo de elasticidade à compressão simples, em 81 GPa. Tabela 18. Resistência média à compressão simples (MPa), 82 compósitos argilosos. Tabela 19. Resistência média à compressão diametral (MPa), 82 compósitos argilosos. Tabela 20. Resistência média à compressão simples (MPa), 83 compósitos arenosos. Tabela 21. Resistência média à compressão diametral (MPa), 83 compósitos arenosos. Tabela 22. Taxa de absorção d água dos compósitos estudados, 84 em %.

14 Lista de símbolos CH Hidróxido de Cálcio CTC Troca catiônica CTA Troca aniônica CV Coeficiente de variação cmol c /kg Centimol de cátion/kg da amostra D Diâmetro dos espécimes E Módulo de elasticidade ER Razão de erosão G s Densidade real dos grãos H Umidade natural h Umidade h ot Umidade ótima I abs Índice de absorção d água K Caolinita (Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ) kwh/t Kilowatts por tonelada IP Índice de Plasticidade L a) Leitura no frasco de Chapman b) Comprimento dos espécimes LVDT Linear Variable Differential Transducers LL Limite de Liquidez LP Limite de Plasticidade m/dia Metro por dia P Carga aplicada nos testes de compressão diametral P ar Peso seco ao ar livre P est Peso seco em estufa P um Peso úmido P est50 Peso seco em estufa de 50g de fibras vegetais Q Quartzo (SiO 2 ) T Capacidade de Troca Catiônica TRB Transportation Research Board tep Tonelada equivalente de petróleo tep/t Tonelada equivalente de petróleo por tonelada UR Umidade Relativa V Volume ε 40% Deformação produzida por 40% da tensão última (σ 40%) γ Massa específica das fibras vegetais γ u Peso específico aparente úmido (densidade úmida) γ s Peso específico aparente seco (densidade seca) γ s,max Peso específico aparente seco máximo (densidade seca máxima) μm Micrometro μs Microstrain σ c Resistência à compressão simples σ t Resistência à compressão diametral σ 40% 40% da tensão última 2Ө Ângulo de incidência de Raios-X (Análise por Difratometria de Raios-X)

15 Estamos diante de um momento crítico na história da Terra, numa época em que a humanidade deve escolher o seu futuro. À medida que o mundo torna-se cada vez mais interdependente e frágil, o futuro enfrenta, ao mesmo tempo, grandes perigos e grandes promessas. Para seguir adiante, devemos reconhecer que, no meio da uma magnífica diversidade de culturas e formas de vida, somos uma família humana e uma comunidade terrestre com um destino comum. Devemos somar forças para gerar uma sociedade sustentável global baseada no respeito pela natureza, nos direitos humanos universais, na justiça econômica e numa cultura da paz. Para chegar a este propósito, é imperativo que nós, os povos da Terra, declaremos nossa responsabilidade uns para com os outros, com a grande comunidade da vida, e com as futuras gerações. A Carta da Terra Preâmbulo Disponível em: Acessado em: Janeiro de 2005